Images de science : Quand les coléoptères guident la lumière
Le format « Images de science » vous propose de décrypter une photographie particulièrement signifiante d’un point de vue scientifique, de la décrire et d’en comprendre les enjeux.
Nous ne sommes pas sur un récif corallien en face d’une anémone de mer, mais devant les écailles très grossies d’un coléoptère, Tmesisternus rafaelae, un longicorne vivant en Indonésie. Cet insecte a été étudié pour ses remarquables changements de couleur sous l’effet de l’humidité. Ses belles couleurs jaune doré, légèrement iridescentes, sont créées au sein des écailles par une structure interférentielle
Le phénomène d’"hygrochromie", le changement de couleur sous l’effet d’un fluide, est relativement courant chez les insectes et indique toujours la présence d’une structure photonique ouverte dans laquelle l’eau ou un fluide physiologique peut pénétrer et modifier ses propriétés optiques.
Un autre phénomène lumineux vient d’être observé à l’Institut des NanoSciences de Paris (CNRS – Sorbonne Université), qui participe aussi à la couleur de l’insecte : la fluorescence guidée. Les écailles contiennent des fluorophores, non encore identifiés, qui sous irradiation UV, émettent dans le bleu-vert. La structure photonique interne des écailles guide cette lumière émise vers la pointe d’où elle peut s’échapper, ajoutant dans la journée, une nouvelle composante colorée à l’insecte. De telles structures pourraient avoir d’intéressantes applications pour des cellules photovoltaïques ou pour le cosmétique.
Comment les organismes vivants se protègent-ils du soleil ?
Comme tout organisme vivant, les insectes doivent se protéger des rayonnements ultraviolets du soleil. Il y a de nombreux moyens d’y parvenir. Beaucoup, comme la majorité des mammifères, dont nous même, mais aussi de très nombreux autres animaux, et même certaines plantes, synthétisent des mélanines, un pigment allant du jaune au noir selon la concentration, et qui a son pic d’absorption dans l’ultraviolet. Les rayonnements sont absorbés et leur énergie convertie en chaleur.
D’autres organismes, comme certaines fourmis et papillons, réfléchissent les ultraviolets – un stratégie plus rare. Ils ont pour cela développé des structures photoniques particulières comme des « miroirs interférentiels » ou des structures prismatiques.
La troisième façon enfin est de convertir ces rayonnements nocifs en rayonnement inoffensifs, voire bénéfiques : c’est la fluorescence. Cette transformation est opérée par des molécules appelées fluorophores.
Dans le cas du coléoptère Tmesisternus rafaelae qui nous intéresse ici, les fluorophores sont dispersés à l’intérieur des écailles qui recouvrent l’insecte. En l’absence de mélanines, les rayonnements UV pénètrent aisément les écailles et y sont alors convertis en rayonnements visibles. Généralement, une grande partie de cette lumière retraverse la paroi de la structure modifiant ainsi la couleur perçue. Mais ici, une structure photonique, un empilement régulier de couches de chitine, le matériau constitutif des carapaces des insectes, de tous les arthropodes en général, alternant avec des couches composites de chitine et d’air, l’empêche de sortir latéralement et la guide vers l’extrémité de l’écaille, la pointe, par où elle peut enfin s’échapper. C’est ce que nous observons sur cette image prise au microscope optique numérique.
Un tel dispositif pourrait être implanté sur des panneaux solaires photovoltaïques. Des fluorophores joueraient le rôle de « down converters » en convertissant des radiations très énergétiques (les UV) en radiations moins énergétiques (le visible) – comme dans le cas du Tmesisternus rafaelae – mieux absorbées par les cellules solaires photovoltaïques. Puis la structure photonique guiderait cette lumière vers la zone de la cellule où s’opère la transformation de la lumière en électricité.
Serge Berthier, Professeur en physique, Sorbonne Université
Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.
